(共32张PPT)
第九章 静电场及其应用
学 习 目 标
1.通过静电感应和电场叠加原理,理解静电平衡状态的形成过程.知道处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为0,培养知识迁移能力.
2.结合生活现象,知道尖端放电现象、静电屏蔽现象及有关应用,培养运用物理知识分析实际问题的能力.
3.通过对静电复印、静电喷漆和静电除尘等技术应用中的静电现象进行分析,了解静电在生产、生活中的应用.关注生产、生活中的静电现象,体会物理学与生产和生活的紧密联系.
4 静电的防止与利用
知识点一 静电平衡
答案:发生静电感应现象.导体内自由电子的定向移动不是无休止的,当达到静电平衡后,电子将不再定向移动.
1.如图所示,带电体C靠近不带电的导体A、B会发生什么现象 导体内电荷的定向移动是无休止的吗
2.静电平衡状态:导体中(包括表面) 不再发生定向移动.
自由电子
知识点二 尖端放电
1.空气的电离:静电平衡时,电荷只分布在导体的外面表.在导体外表面,越尖锐的位置,电荷的密度 ,周围的电场强度越大.在一定条件下,导体尖端周围的 足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动,并与空气分子碰撞从而使空气分子中的 分离.这个现象叫作空气的电离.
2.尖端放电:空气电离后,那些所带电荷与导体尖端的电荷符号 的粒子,由于被吸引而奔向尖端,与尖端上的电荷 ,这相当于导体从尖端失去电荷.这种现象叫作尖端放电.
越大
强电场
正负电荷
相反
中和
1.法拉第笼是一种用于演示静电屏蔽和高压带电作业原理的设备.笼体与大地连通.当带有10万伏高压的放电杆尖端接近笼体时,出现放电火花,这时笼体内的表演者用手触摸笼壁接近放电火花是否会触电 为什么
知识点三 静电屏蔽
答案:不会.法拉第笼外壳是金属,能起屏蔽作用,所以表演者在笼内是安全的.
2.静电屏蔽:把一个电学仪器放在封闭的金属壳里,即使壳外有 ,但由于壳内电场强度保持为 ,外电场对壳内的仪器不会产生影响.金属壳的这种作用叫作静电屏蔽.
3.请举例说明静电屏蔽的应用和静电的危害.
答案:静电屏蔽的应用:野外高压输电线在三条输电线上方还有两条导线,它们与大地相连,形成一个稀疏的金属“网”,把高压线屏蔽起来,使其免遭雷击.
静电的危害:医院手术台上,静电火花有可能引起麻醉剂爆炸;煤矿里,静电火花会引起瓦斯爆炸.
电场
0
知识点四 静电吸附
请举例说明静电吸附在生产技术上有哪些应用.
答案:静电除尘、静电喷漆、静电复印.
小试身手
判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的打“×”).
1.静电平衡状态下的导体内部电场强度处处为0.( )
2.处于静电平衡状态的导体,导体内部无电场.( )
3.所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为0.( )
4.用金属网把验电器罩起来,再使带电金属球靠近验电器,则验电器箔片能张开.( )
5.避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地.( )
6.在印染厂中保持适当的湿度,是为了防止静电的危害.( )
√
×
×
×
√
√
探究一 静电平衡和尖端放电
问题情境
如图所示,把一个不带电的金属导体ABCD放到电场强度为E0的水平向右的匀强电场中.
1.金属导体内的自由电子会如何运动 导体两端的正负电荷产生电场吗 若产生电场,产生的电场方向是怎样的呢
答案:导体中的自由电子在静电力的作用下向着电场强度E0方向相反的方向发生定向移动,使导体左端带负电,右端带等量的正电荷,在导体内产生一个方向与电场强度E0方向相反的电场.
2.导体内部的电场会发生什么变化 导体内部的自由电子还会继续移动吗 最终会出现什么现象
答案:两个电场叠加,使导体内部的电场减弱.在叠加后的电场作用下,仍有自由电子发生定向运动.当导体内部两个电场叠加的电场强度E=0 时,导体内的自由电子不再发生定向运动,导体达到静电平衡状态.
3.将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端,用粗导线与埋在地下的金属板连接,保持与大地的良好接触,就成为避雷针.高大建筑物上为什么要安装避雷针
答案:使建筑物免遭雷击.当带电的雷雨云接近建筑物时,由于静电感应,金属棒出现与云层相反的电荷.通过尖端放电,这些电荷不断向大气释放,中和空气中的电荷,达到避免雷击的目的.
过程建构
1.对静电平衡的理解.
(1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果,达到静电平衡时,自由电荷不再发生定向移动,但仍在做无规则运动.
(2)金属导体建立静电平衡的时间非常短暂.
(3)导体达到静电平衡后内部电场强度处处为0,是指外电场E0与导体两端的感应电荷产生的附加电场E'的矢量和为0,E'=-E0.
2.静电平衡状态下的导体的电荷分布特点.
(1)电荷都分布在导体的表面,导体内部没有净电荷.
(2)感应电荷分布于导体两端,电性相反,电荷量相等,远同近异,如图甲所示.
(3)净电荷在导体表面分布不均匀,导体表面尖锐处电荷密集,平滑处电荷稀疏,凹陷处几乎没有电荷,如图乙所示.
甲
乙
3.对尖端放电的理解.
(1)尖端放电的发生还与周围环境情况有关.环境温度越高、湿度越低越容易发生尖端放电.
(2)尖端放电会导致高压设备上电能的损失,所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑.
【典例1】如图所示,一个方形的金属盒原来不带电,现将一个电荷量为+Q的点电荷放在金属盒左边附近,达到静电平衡后,盒上的感应电荷在盒子内部产生的电场分布情况正确的是
( )
[学会审题]
A
B
C
D
解析:金属盒内部由于处于静电平衡状态,因此内部每点的合电场强度都为0,即金属盒内的每一点,感应电荷产生的电场的电场强度都与点电荷+Q在那点产生的电场的电场强度大小相等、方向相反,即感应电荷的电场线与点电荷+Q的电场线重合,但方向相反,故选项C正确.
答案:C
【变式】如图所示,把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正电荷形成的电场中,导体处于静电平衡时,下列说法正确的是 ( )
A.当开关S断开时,导体左端带正电,右端带负电
B.当开关S闭合时,导体左端带负电,右端带正电
C.当开关S断开时,A、B两点电场强度相等,且都为0
D.当开关S闭合时,A、B两点电场强度不相等
答案:C
探究二 静电屏蔽和静电吸附
问题情境
1.如图所示,使带电的金属球C靠近验电器,但不接触,箔片是否张开 为什么
答案:验电器箔片会张开.由于静电感应,验电器的金属箔片会带上与金属球C电性相同的电荷,所以验电器箔片会张开.
2.如图所示,用金属网把验电器罩起来,再使带电金属球C靠近验电器,观察箔片是否张开.这个现象说明什么
答案:有金属网时,验电器箔片不张开.金属网可以起到静电屏蔽作用.
过程建构
1.静电屏蔽的实质.
静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象,金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢量和为0,好像是金属壳将外电场“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用,其实是壳内两种电场并存,矢量和为0.
2.静电屏蔽的两种情况.
图示
实现 过程 因场源电荷产生的电场E0与导体球壳表面上感应电荷在空腔内的电场E'满足E0=-E',达到静电平衡状态,从而起到屏蔽外电场的作用 当空腔外部接地时,外表面的感应电荷因接地传给地球,外部电场消失,起到屏蔽内电场的作用
最终 结论 导体内空腔不受外界电荷影响 接地导体空腔外部不受内部电荷影响
本质 静电感应与静电平衡,所以做静电屏蔽的材料只能是导体,不能是绝缘体
3.静电吸附在生产技术上的应用.
(1)静电除尘:设法使空气中的尘埃带电,在静电力作用下,尘埃到达电极而被收集起来.
(2)静电喷漆:接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电,在静电力作用下,这些微粒向着作为正极的工件运动,并沉积在工件的表面,完成喷漆工作.
(3)静电复印: 复印机的核心部件表面涂覆有机光导体(OPC).没有光照时OPC是绝缘体,受到光照时变成导体.
【典例2】某同学在学习了电学知识后对电工穿的高压作业服进行了研究,发现高压作业服是用铜丝编织的.下列四位同学的结论正确的是( )
A.甲认为铜丝编织的衣服不易拉破,所以用铜丝编织
B.乙认为铜丝编织的衣服必须达到一定的厚度,才能对人体起到保护作用
C.丙认为电工被铜丝编织的衣服所包裹,体内的电场强度不为0,但对人体无伤害
D.丁认为电工被铜丝编织的衣服所包裹,使体内电场强度保持为0,对人体起保护作用
解析:高压作业服的作用是在穿用后,使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个屏蔽面,从而保护人体免受高压电场及电磁波的危害.电工体内电场强度为0,所以选项D正确.
答案:D
课堂评价
答案:A
1.处于静电平衡的导体,其内部电场强度处处为0的原因是
( )
A.外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为0
B.外电场不能进入导体内部
C.所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为0
D.以上解释都不正确
答案:B
2.下列现象中,不属于防止静电危害的是 ( )
A.在很高的建筑物顶端装上避雷针
B.在高大的烟囱中安装静电除尘器
C.油罐车后面装一根拖在地上的铁链条
D.存放易燃品的仓库的工人穿上导电橡胶做的防电靴
3.如图所示,把原来不带电的金属壳B的外表面接地,将一带正电的小球A从小孔中放入金属壳内,但不与B接触,达到静电平衡状态后,则( )
答案:D
A.B的空腔内电场强度为0
B.B不带电
C.B的外表面带正电
D.B的内表面带负电
4.静电在各种产业和日常生活中有着重要的应用,如静电除尘、静电复印等,所依据的基本原理几乎都是让带电的物质微粒在电场作用下奔向并吸附到电极上.现有三个粒子A、B、C从P点向下射入由正、负电极产生的电场中,它们的运动轨迹如图所示,则 ( )
答案:B
A.A带负电荷,B带正电荷,C不带电荷
B.A带正电荷,B不带电荷,C带负电荷
C.A带负电荷,B不带电荷,C带正电荷
D.A带正电荷,B带负电荷,C不带电荷
5.在手术时,为防止麻醉剂爆炸,地砖要用导电材料制成,医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套,一切设备要有良好的接地,这是为了 ( )
A.除菌消毒 B.防止漏电
C.利用静电 D.消除静电
答案:D第九章 静电场及其应用
4 静电的防止与利用
【基础巩固】
1.如图所示,放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C,如果把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B,则 ( )
A.B的外表面无感应电荷
B.B的内表面将带上正电荷
C.验电器的金属箔片将张开
D.验电器的金属箔片不张开
答案:D
2.在野外遇到电闪雷鸣时,应当 ( )
A.躲在大树下 B.躲进小山洞
C.撑着钢柄伞 D.站在避雷针旁边
答案:B
3.静电现象在自然界中普遍存在,下列不属于静电现象的是( )
A.梳过头发的塑料梳子吸起纸屑
B.带电小球移至不带电金属球附近,二者相互吸引
C.磁体可以吸引铁、钴、镍等磁性物质
D.从干燥的地毯上走过,手碰到金属把手时有被电击的感觉
答案:C
4.下列关于雷电的说法错误的是 ( )
A.发生雷电的过程是放电过程
B.发生雷电的过程是电能向光能、内能等转化的过程
C.发生雷电的过程中,电荷的总量增加
D.避雷针利用尖端放电,避免建筑物遭受雷击
答案:C
5.下列各种措施用于防止静电危害的是( )
A.电视机后盖上开有许多小孔
B.电视机上装有一条户外天线
C.在高大的建筑物顶端装有避雷针
D.在烟道的中央装有静电除尘器
答案:C
6.(多选)在如图所示的实验中,验电器的箔片会张开的是 ( )
A B C D
答案:BD
7.将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不和球壁接触),另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近,如图所示.下列说法正确的是 ( )
A.A往左偏离竖直方向,B往右偏离竖直方向
B.A的位置不变,B往右偏离竖直方向
C.A往左偏离竖直方向,B的位置不变
D.A和B的位置都不变
解析:球C有静电屏蔽作用,处于C内部的A球不受外界电场影响,所以A不偏移;但A在C的外表面感应出正电荷,也就是C不能屏蔽内部电荷向外激发电场,所以B将向右偏.选项B正确.
答案:B
【拓展提高】
8.如图所示,N是一个不带电的金属空腔,P是一个带电小球.下列几种情况中,放在绝缘板上的小纸屑S不会受静电力作用的是( )
②③④
A.①③ B.②③ C.②④ D.③④
答案:A
9.如图所示,一个原来不带电的半径为r的空心金属球放在绝缘支架上,右侧放一个电荷量为+Q的点电荷,点电荷到金属球的球心距离为3r.达到静电平衡后,下列说法正确的是 ( )
A.金属球的左侧感应出负电荷,右侧感应出正电荷
B.点电荷Q在金属球内产生的电场强度处处为0
C.感应电荷在金属球内产生的电场的电场强度处处为0
D.感应电荷在金属球球心处产生的电场的电场强度大小为E=k
解析:静电感应导致金属球的电荷重新分布,左侧带正电荷,右侧带负电荷,故选项A错误.金属球内各点的电场强度均为0,即感应电荷在金属球内某点激发的电场强度与点电荷在该点处产生的电场强度大小相等,方向相反,故选项B、C错误.感应电荷在金属球球心处产生的电场强度与电荷量为+Q的点电荷在此处产生的电场强度大小相等,方向相反,合电场强度为0,因此感应电荷在金属球球心处产生的电场强度大小为E=k=k,故选项D正确.
答案:D
10.一金属球,原来不带电,现沿球直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN,如图所示,金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上A、B、C三点的电场强度大小分别为EA、EB、EC,三者相比,则( )
A.EA最大 B.EB最大 C.EC最大 D.EA=EB=EC
答案:C
11.(多选)如图所示,在真空中把一绝缘导体AB向带负电的小球P缓慢地靠近(不接触)时,下列说法正确的是 ( )
A.B端的感应电荷越来越多
B.导体内部电场强度越来越大
C.导体的感应电荷在M点产生的电场强度大于在N点产生的电场强度
D.导体的感应电荷在M、N两点产生的电场强度相等
答案:AC
【挑战创新】
12.如图所示,长为l的金属杆原来不带电,在距其右端d处放一个电荷量为+q的点电荷.求:
(1)金属杆中点处的电场强度;
(2)金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的电场强度.
解析:(1)金属杆处于静电平衡状态,其内部电场强度处处为0.因此,金属杆中点处的电场强度为0.
(2)点电荷q在金属杆中点处产生的电场强度E点=k=,方向水平向左.由于杆中点处的电场强度为0,所以感应电荷在杆中点处产生的电场强度与点电荷在该处产生的电场强度大小相等,方向相反,所以,感应电荷在杆中点处产生的电场强度大小E感=E点==,方向水平向右.
答案:(1)0 (2),方向水平向右
